大直徑鋼管樁打樁過程中樁周土強度弱化分析

羅澤林

（浙江省二建建設集團有限公司，浙江 寧波 315000）

1 引言

隨著經濟的快速發展， 超大新型鋼材頻繁用于鋼結構設計領域。 鋼管樁作為常見的工程結構基礎，越來越受到行業人士關注。 在打樁施工過程中，為確保施工質量、安全與進度符合標準，需要對樁周土體強度進行分析，根據強度弱化規律，采取可靠的預防措施，提升項目整體施工效果。 鑒于此，本文重點分析土體強度弱化原因，對弱化規律進行總結，并采取必要預防措施，進而降低樁基坑施工風險。

2 項目概況

某火力發電廠的主體建筑為鋼結構， 地下既有管線數量較多，施工難度較大。 項目方計劃使用φ900 mm 鋼管樁進行施工，鋼管樁長度分別為75 m 和40 m，樁中心最小距離為1.5 m，最大距離為5 m，承載力約3 200 kN[1]。 現場土質以砂土、黏土為主，打樁期間會給土體帶來擾動，影響施工質量。 為保證項目順利竣工，施工方決定先對現場進行勘測，打樁的同時監測土體情況，獲悉樁周土體強度變化情況，在此基礎上確定切實可行的打樁方案，以確保施工質量與效率達到預期。

3 試驗方案及結果

3.1 測試方案

現場共布設3 組傳感器，每組包括4 只，共12 只。 具體測試方案如下：第一步，確定測點位置并鉆孔；第二步，埋入傳感器，先用完全干燥的黏土球覆蓋傳感器，再進行封孔；第三步，將壓力盒與接收儀相連， 實時監測孔隙水壓力及土體強度變化情況；第四步，依次打樁，根據傳感器所傳回數據繪制相應變化曲線，得出最終結論[2]。

3.2 結果討論

3.2.1 孔隙水壓力

通過測試發現，隨著打樁擠壓作用力的增大，樁周土體孔隙水壓力隨之增加。 測試結論歸納如下。

1）打樁期間，測點孔隙水壓力均有所增加，達到極值后快速減小。

2）樁端與測點重合時，孔隙水壓力達到極值的70%左右，并在短時間內快速達到極值，隨著時間的推移，該數值將有所減小。

3）孔隙水壓力遵循的變化規律為：在測點附近打樁時，該數值達到極值并快速減小；打樁結束后，該數值的衰減幅度為70%～80%。

3.2.2 土體擾動情況

1）水裂作用

土體應力隨著孔隙水壓力的增大而降低，與此同時，土體將出現裂縫。 結合小孔擴張原理可知，在打樁期間，相關應力均可反映總應力變化，孔隙水壓力計算公式如下：

式中，P為孔隙水壓力，Pa；ρw為水的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；H為孔隙水的厚度，m；Sr為土體實際飽和度。

2）排土情況

鋼管樁存在土塞效應，實測結果表明，空心段附近僅有部分土體能進入鋼管樁并起到加大土塞密度的作用， 剩余土體均被擠壓至樁周。 分析可知，不同樁空心長度往往有所不同，入土比與入土長度的關系為正相關， 排土比與入土關系呈負相關。 需注意，隨著入土深度的加深，鋼管樁所形成的擠土效應將有所減弱，但仍需對其引起重視。

4 樁周土強度弱化研究

4.1 弱化原因

試驗結束后，便可對樁周土體強度、打樁施工之間的關系進行分析。 研究表明，打樁期間，土體強度持續弱化的原因主要包括：土體存在超孔隙水壓；土體結構被破壞。 其中，超孔隙水壓產生的影響可用式（2）進行解釋：

式中，σ為土體某平面所承受總應力值，kPa，通常包括孔隙水壓力、有效應力兩部分；u0為孔隙水壓力初始值（即靜水壓力），kPa；σ＇為有效應力，kPa。 打樁期間，地基土所承受應力如下：

式中，σ1為地基土應力，kPa；Δu為超孔隙水壓，kPa。 分析可知，地基土強度、變形程度極易被有效應力影響，一旦土體形成超孔隙水壓，該區域有效壓力將快速減小，且土體強度表現出明顯的弱化趨勢。 現階段，研究人員更傾向于在空穴擴張理論指導下，對土體孔隙水壓力、樁周應力變化趨勢進行研究，具體方法如下：打樁期間，可將樁周土體劃分成4 個部分，最靠近樁身的區域為①區，遠離樁身的區域為④區（見圖1）。

圖1 沉樁影響范圍

①區所承受擠壓作用力最大， 通常能在短時間內產生超孔隙壓，與此同時，該區域骨架也將在擠壓作用力的影響下而變形，使土體結構受到嚴重破壞；

②區所覆蓋范圍相對較廣， 沉樁擠壓對該區域造成的影響十分嚴重，待沉樁擠壓所產生作用力達到一定值時，該區域將出現土體位移、塑性變形情況，同時形成超孔隙水壓；

③區所受到影響相對較小， 考慮到土體壓縮變形存在一定彈性，因此，除特殊情況外，均無須單獨分析該區域超孔隙水壓；

④區不會被沉樁所影響。

上述各部分中，①區將隨樁身移動而移動，①區、②區之間所形成分界面的面積通常較樁周側面積略大， 其摩阻力則由②區抗剪強度決定[3]。

4.2 分析過程

分析打樁過程時， 應采取常系數法對土地強度弱化進行模擬，通過折減土體靜態阻力的方式對動態阻力加以確定，二者關系如下：

式中，SRD 為土體動態阻力，kPa；β為折減因子；LSTR 為靜態阻力，kPa。 若模擬對象為單一土層，則β取值為1/fs（fs為恢復系數）；若模擬對象為多個土層，則需對β的取值進行分層計算。 對折減因子進行計算前，先根據恢復系數確定相對敏感系數，計算公式如下：

式中，fs*為相對敏感系數；fs為恢復系數；fsx為靈敏土層對應恢復系數。 在沉樁狀態下， 有關人員可根據Gain/Loss 系數及fs*，對折減因子取值加以確定。由此可見，采取該方法對土體強度弱化進行模擬，既考慮了土體類型的影響，又通過設置定值的方式降低計算難度。

研究表明，土層深度、土體性質均影響其強度弱化情況，以往的計算方法均未對二者進行綜合考慮， 導致模擬結果與實際情況存在較大出入。 鑒于此， 有關人員決定引入環剪試驗，根據試驗結果進行計算，保證計算所獲得數據具有實際意義。

環剪試驗期間， 土體所承受正應力與打樁所產生側向壓力相等，由此可推導出以下公式：

式中，β砂土為砂土強度對應折減因子；K為土體靜止壓力；σ2為上覆土所施加的壓力；β黏土為黏土強度對應折減因子。 對其他類型土層實際折減因子進行計算的公式如下：

式中，βs為土層折減因子；βs1為深度相同條件下， 黏土對應折減因子。

4.3 規律

環剪試驗峰值、殘余強度之比與土體強度弱化密切相關。其中，土地強度對應弱化程度與殘余比的關系為負相關。 以砂土、黏土為例，二者殘余比均受正應力影響，且存在線性相關的關系，在正應力大小相同的情況下，黏土殘余比小于砂土殘余比，這表示黏土強度對應弱化程度大于砂土。 對飽和黏土而言， 打樁過程可被視為擠壓但不排水的過程。 在不排水狀態下，土體所能壓縮的程度相對有限，因此，隨著打樁力度的增加，鋼管樁將擠壓附近土體，導致土體位移、土層結構被破壞，壓力隨之加大[4]。 結合有效壓力原理可知，擠壓應力通常會給孔隙水壓力、群樁產生影響，由此可見，要使擠壓應力得到有效控制，關鍵是要根據現場情況，對鋼管樁密度、布局、打樁方法和沉樁速度加以調整。

查閱相關文獻可知， 在不改變正應力大小的前提下，土體殘余比將隨著剪切速率的增大而減小。 該情況出現的原因如下。

1）剪切速率可給剪切帶附近孔隙水造成影響，進而使土體抗剪強度受到影響， 剪切面擾動程度將隨著剪切速率的增大而加劇，通常在短時間內形成局部剪切帶，阻斷孔隙水排出的途徑，超孔隙水壓出現后，剪切帶應力快速減小。 與此同時，剪切帶附近水體具有潤滑效果， 將減弱土體顆粒之間的摩擦力及其他作用力，進而降低土體強度，影響土體殘余比。

2）剪切速率影響土體顆粒的排列，隨著剪切速率的加大，土體顆粒之間的接觸面積不斷減小， 土體顆粒沿剪切方向重排，由此帶來連鎖反應：（1）骨架孔隙內部填充細顆粒土數量減少；（2）土體密實度降低；（3）顆粒之間摩擦不充分；（4）土體強度持續降低，殘余比隨之減小。 可見，土體強度對應弱化程度隨著剪切速率的加大而加劇。

5 結語

本研究分析大直徑鋼管樁施工中打樁環節給土體強度造成的影響，以項目實踐為研究出發點，對打樁周圍土體強度弱化原因進行分析可知，土層深度、土體性質均對強度弱化產生影響。 通過環剪試驗及壓力測試，對土體強度弱化分析結果進行驗證，研究結果表明，試驗峰值、殘余強度之比與土體強度弱化存在密切關系，在同等正應力條件下，砂土的殘余比明顯高于黏土，隨著剪切速率增加，砂土、黏土的殘余比均降低。 建議有關人員在大直徑鋼管樁打樁施工中，考慮土層深度、土體性質對樁周土體強度造成的影響，確保穩定安全施工，進而提升項目整體質量。